抽象、建模，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)

張勇 周韜

[摘 要]信息技術(shù)學(xué)科要培養(yǎng)的計(jì)算思維是當(dāng)今學(xué)生需要具備的核心素養(yǎng)之一，也是時(shí)代的產(chǎn)物，受到教師的關(guān)注。計(jì)算思維在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，是一種具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的思想方法，計(jì)算思維培養(yǎng)的第一步是要讓學(xué)生學(xué)會對問題進(jìn)行抽象與建模。結(jié)合實(shí)例闡述小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中抽象與建模能力培養(yǎng)的策略和思考。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算思維;抽象;建模

[中圖分類號] G43[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 1007-9068（2021）21-0085-03

一、抽象與建模的內(nèi)涵

目前，越來越多的教師開始關(guān)注核心素養(yǎng)在教學(xué)中的落實(shí)以及學(xué)生素養(yǎng)的發(fā)展。信息技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)是核心素養(yǎng)在信息技術(shù)學(xué)科中的具體體現(xiàn)，包括信息意識、計(jì)算思維、信息社會責(zé)任、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新四個(gè)部分，其中計(jì)算思維又是學(xué)生在信息社會中需要具備的重要能力之一。

2006年時(shí)任美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系的主任周以真教授最早提出了計(jì)算思維這一概念：計(jì)算思維是人們運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)思想與方法進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動(dòng)。信息技術(shù)新課標(biāo)將“計(jì)算思維”引入課堂，使其成為信息技術(shù)核心素養(yǎng)的重要組成部分。

利用計(jì)算思維解決問題就是要將現(xiàn)實(shí)生活中的問題轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠處理的問題，現(xiàn)實(shí)生活中幾乎所有的東西都可以被“0”和“1”所代替，抽象能力決定著創(chuàng)造力，利用計(jì)算思維解決問題的過程其實(shí)是一個(gè)抽象建模、設(shè)計(jì)算法、描述算法的過程。抽象與建模是此過程中的第一步重要工作，抽象與建模過程中的抽象對于解決問題至關(guān)重要，在學(xué)生解決問題時(shí)引導(dǎo)其嘗試抽象思考抓住問題的重點(diǎn)部分去除非重點(diǎn)部分，將復(fù)雜的問題進(jìn)行簡化，然后通過抽象出的內(nèi)容構(gòu)建問題解決的模型，再嘗試像計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序一樣去思考問題，利用合適的指令讓計(jì)算機(jī)能夠明白人的具體想法和思路。

所以，我們可以把抽象與建模視為計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)鍵之一，將其引到小學(xué)信息技術(shù)教育中，讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)具備一定的“抽象與建模”意識和能力，為其終生發(fā)展打下基礎(chǔ)。

二、抽象與建模能力的培養(yǎng)策略

1.在現(xiàn)實(shí)生活中感知抽象與建模

學(xué)生學(xué)習(xí)抽象與建模，首先需要先了解抽象與建模的概念和內(nèi)涵，在學(xué)生的日常生活中就有很多關(guān)于抽象與建模的例子。

（1）求同去異進(jìn)行抽象。

例如，在生活中要查找城市中某一個(gè)地點(diǎn)或者規(guī)劃出行路線時(shí)，人們通常會查詢地圖網(wǎng)站或者使用地圖類App。現(xiàn)實(shí)生活中包括馬路、建筑、汽車、植物等對象，而在電子地圖上并不包含所有的對象，像街道、建筑等主要內(nèi)容被標(biāo)記出來了，而樹木、汽車之類的內(nèi)容則被忽略了。在現(xiàn)實(shí)世界中，植物有種類、形狀屬性，在電子地圖上植物的這部分屬性被忽略了，它們被綠色代替，建筑被忽略了高矮、顏色等屬性，保留了位置和俯視視角形狀的屬性。通過地圖的案例分析，學(xué)生知道電子地圖的創(chuàng)建有選擇的忽略部分細(xì)節(jié)，抓住重點(diǎn)，這就是抽象的普遍方法。

教師接著引導(dǎo)學(xué)生思考，在生活中還有哪些抽象的例子，它們分別是對什么進(jìn)行抽象。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行思考、討論，找到生活中的交通標(biāo)志是用抽象的內(nèi)容和特定的顏色表示路況，為車輛和行人提供完善和清晰的提示。科學(xué)中的細(xì)胞示意圖其實(shí)并不包含一個(gè)真正細(xì)胞的全部組成部分，但是課堂上常用這樣的圖來描述細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，因?yàn)閳D中的特征是所有細(xì)胞共有的。

抽象，就是從眾多的事物中抽取出共同的、本質(zhì)性的特征，而舍棄其非本質(zhì)的特征，在嘗試解決問題時(shí)，我們也需如此。

（2）根據(jù)目的進(jìn)行抽象。

現(xiàn)在人臉識別技術(shù)在我們生活中有著廣泛的應(yīng)用，在不同的使用場合需要對人臉進(jìn)行不同的抽象。如果把人臉識別技術(shù)應(yīng)用在門禁系統(tǒng)上，就需要忽略人的發(fā)型、膚色、眼鏡、表情等屬性，將人的眼睛大小，眉毛和下巴輪廓等面部特征進(jìn)行抽象。但如果人臉識別用在課堂教學(xué)分析，用于了解學(xué)生學(xué)習(xí)的愉悅度和專注度，就需要重點(diǎn)抽象出人的表情，而忽略人臉的其他屬性。

通過學(xué)習(xí)學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)，抽象是有針對性的，需要先明確要解決的問題，然后根據(jù)問題選取抽象的內(nèi)容，解決的問題不同，抽象的對象也不同。

（3）基于抽象進(jìn)行建模。

如果要進(jìn)行人臉識別，只進(jìn)行抽象是無法識別人臉的，還需要在人的面部關(guān)鍵信息提取抽象之后，利用多種技術(shù)手段對信息進(jìn)行處理，建立人臉的編碼模型，然后與數(shù)據(jù)庫中存儲的模型進(jìn)行比對，最終實(shí)現(xiàn)人臉的識別。這個(gè)用抽象出的內(nèi)容構(gòu)建解決問題的模型，再用模型描述系統(tǒng)的因果關(guān)系或相互關(guān)系的過程就是建模。

通過人臉識別的案例學(xué)生們明白了，在解決實(shí)際問題時(shí)需要先根據(jù)問題進(jìn)行抽象，然后根據(jù)抽象出的要素建立解決問題的模型。

2.在案例學(xué)習(xí)中認(rèn)識抽象與建模

在生活中的建模種類有很多，如數(shù)學(xué)建模、數(shù)據(jù)建模、可視化建模、3D建模等，這些不同種類的建模在生活中發(fā)揮著不同的作用。接下來需要讓學(xué)生對抽象與建模的具體種類和方法有一個(gè)系統(tǒng)的了解。

例如可視化建模，它能通過直觀的展示為我們的生活提供參考和幫助。為了讓人們了解特殊時(shí)期不能開學(xué)的原因，有人構(gòu)建了《計(jì)算機(jī)仿真模擬疫情期間開學(xué)可能的后果》的可視化模型，在模型中，人被忽略了外貌、性別、年齡等屬性，被抽象成不同顏色的小球，小球的顏色表示人健康或生病的狀態(tài)，教室、食堂、寢室被抽象成了小方框。通過這個(gè)可視化建模的展示，非常直觀地讓人們知道特殊時(shí)期不能開學(xué)的原因。

3.在實(shí)際應(yīng)用中鍛煉抽象與建模

計(jì)算思維和抽象與建模的學(xué)習(xí)并非只局限于紙上談兵，學(xué)生學(xué)習(xí)它們的最終的目的是要將其運(yùn)用到實(shí)際中解決實(shí)際問題。例如很多學(xué)生對于編程學(xué)習(xí)中創(chuàng)編游戲非常感興趣，在設(shè)計(jì)和編寫游戲時(shí)學(xué)生要考慮很多內(nèi)容，包括主角、配角、聲音、特效、背景等等。

這時(shí)可以利用思維導(dǎo)圖的BOIs策略中的ordering，也就是要在思維中構(gòu)建一定的順序。引導(dǎo)學(xué)生畫出思維導(dǎo)圖，忽略可有可無的細(xì)節(jié)以降低難度，抓住程序的重點(diǎn)關(guān)鍵部分，明確要解決的主要問題，再逐步添加其他部分的內(nèi)容。如程序中第一層是角色、背景、控制指令和結(jié)束條件，第二層是這些內(nèi)容的控制方案或觸發(fā)條件，可以通過偵測、廣播等手段讓眾多的角色或背景聯(lián)系起來產(chǎn)生互動(dòng)。教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用問題清單對程序的問題進(jìn)行分析和梳理，將一個(gè)完整的程序系統(tǒng)或問題分解為若干個(gè)容易處理的子系統(tǒng)或子問題，通過編寫子系統(tǒng)或解決子問題從而更簡單地找到程序編寫的切入點(diǎn)，接著逐漸完成整個(gè)程序的編寫，這樣才會讓學(xué)生編寫程序的思路更有條理，編寫程序的過程更加順利。

4.在日常應(yīng)用中發(fā)展抽象與建模

我們可以說抽象與建模是將一個(gè)看似困難的問題重新解釋成計(jì)算模型，解決實(shí)際問題的科學(xué)思維方式。在生活中，它的思想和方法在很多學(xué)科或領(lǐng)域都有應(yīng)用，比如數(shù)學(xué)、科學(xué)、信息技術(shù)、藝術(shù)設(shè)計(jì)等。

如果能掌握與運(yùn)用抽象與建模的思想方法，對我們的生活是非常有幫助的。學(xué)生根據(jù)教師教授的思想，嘗試對遇到的問題進(jìn)行抽象與建模，設(shè)計(jì)算法，描述算法、解決問題，這不僅有助于發(fā)展學(xué)生的信息技術(shù)學(xué)科能力，還可以提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)信息技術(shù)與其他學(xué)科知識的能力，在解決問題的過程中，學(xué)生收獲信息技術(shù)學(xué)習(xí)的樂趣，學(xué)會舉一反三，提升核心素養(yǎng)。

三、關(guān)于計(jì)算思維、抽象與建模的思考

世界已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，社會正在經(jīng)歷全面的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，計(jì)算思維也將影響每個(gè)領(lǐng)域的每一個(gè)人。培養(yǎng)抽象與建模能力是培養(yǎng)計(jì)算思維的重要一環(huán)，小學(xué)信息技術(shù)教育對于學(xué)生的培養(yǎng)要求不斷提高，計(jì)算思維、抽象與建模教育是一個(gè)比較新的領(lǐng)域，這也對學(xué)生和教師提出了新的挑戰(zhàn)，要求教師能夠不斷提升自身素養(yǎng)，結(jié)合生活實(shí)際和學(xué)生基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行一系列的探究活動(dòng)，從普遍的現(xiàn)象中找到其中蘊(yùn)含的思維規(guī)律。教育不僅僅是讓學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)在的生活，更是為了學(xué)生的終生發(fā)展服務(wù)，怎樣做好計(jì)算思維的培養(yǎng)工作，還需要我們不斷去探索實(shí)踐。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 張松.建模與解模：探尋培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的密碼——以小學(xué)Scratch編程課為例[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2019（05）.

[2] 王繼華.抽象：計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)鍵[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2016（03）.

（責(zé)編 韋淑紅）